JP2021158493A - 水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】水晶デバイスにおいて不要な振動モードを抑制する。【解決手段】水晶発振器は、第１電極及び第２電極と、第１電極及び第２電極に接続された水晶片２０と、を有する。水晶片２０における第１電極及び第２電極の側の第１面に、水晶片２０における第１裏面電極２５及び第２裏面電極２６との中央位置に対して第１裏面電極の側に設けられた第１電極パターン２１と、中央位置に対して第２裏面電極の側に設けられており第１電極パターン２１と分離されている第２電極パターン２２と、が形成されている。第１面と反対側の第２面に、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２と電気的に結合する第３電極パターン２７が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、発振信号を生成するための水晶デバイスに関する。

従来、水晶片の厚みすべり振動モードを利用して発振信号を発生する水晶振動子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１８−２０７３０６号公報

水晶デバイスにおいては、厚みすべり振動モード以外に、温度変化に伴う水晶片の形状変化に起因して生じる不要な振動モードが生じる場合がある。厚みすべり振動モードによる振動波と不要な振動モードによる振動の高調波とが結合すると、厚みすべり振動モードによる振動の周波数が変化するとともに、クリスタルインピーダンス（ＣＩ）が大きくなるという問題が生じていた。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、不要な振動モードを抑制することができる水晶デバイスを提供することを目的とする。

本発明の水晶デバイスは、第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極に接続された水晶片と、を有し、前記水晶片における前記第１電極及び前記第２電極の側の第１面に、前記水晶片における前記第１電極と前記第２電極との中央位置に対して前記第１電極の側に設けられた第１電極パターンと、前記中央位置に対して前記第２電極の側に設けられており前記第１電極パターンと分離されている第２電極パターンと、が形成されており、前記第１面と反対側の第２面に、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンと電気的に結合する第３電極パターンが形成されている。

前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンは、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ前記水晶片の短手方向に直交する長手方向における辺が、前記短手方向における辺よりも長い長方形の領域を有してもよい。

前記第１電極パターンと前記第２電極パターンとの距離は、０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であってもよい。

前記水晶デバイスの高さ方向において、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンの少なくとも一部は、前記第３電極パターンの少なくとも一部と重なっていてもよい。

前記第３電極パターンは長方形であり、前記水晶デバイスの高さ方向において、前記第３電極パターンの各辺は、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンの辺の少なくとも一部と重なっていてもよい。

本発明によれば、水晶デバイスにおいて不要な振動モードを抑制することができるという効果を奏する。

水晶発振器の構成を示す図である。 水晶片の構成を示す図である。 水晶片の振動モードについて説明するための図である。

［水晶発振器１の構成］
図１は、水晶発振器１の構成を示す図である。水晶発振器１は、水晶デバイスの一例である。図１（ａ）は、水晶発振器１の内部構造を模式的に示す平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

水晶発振器１は、筐体１０と、水晶片２０と、導電性接着剤３１と、導電性接着剤３２と、第１電極４１と、第２電極４２と、電子デバイス５０と、外部端子６０と、を有する。筐体１０は、例えば中空の直方体形状をしたセラミックパッケージであり、水晶片２０及び電子デバイス５０を収容する。

水晶片２０は、電気信号が印加されることにより振動し、発振信号を発生する。水晶片２０は、例えばＡＴカット水晶片又はＳＣカットに代表される２回回転カットの水晶片である。図１水晶片２０の表面には、導電パターンが形成されており、導電パターンは、導電性接着剤３１及び第１電極４１、並びに導電性接着剤３２及び第２電極４２を介して電子デバイス５０に接続されている。

導電性接着剤３１及び導電性接着剤３２は、それぞれ第１電極４１及び第２電極４２に塗布されており、水晶片２０の裏面に形成された電極が第１電極４１及び第２電極４２と電気的に接続された状態で水晶片２０の一端側を固定する。

第１電極４１及び第２電極４２は、それぞれ導電性接着剤３１及び導電性接着剤３２が塗布される領域であり、例えば導電性を有する電極である。第１電極４１及び第２電極４２は、電子デバイス５０に接続されるとともに、ビア配線（不図示）を介して外部端子６０に接続されている。

電子デバイス５０は、水晶片２０を発振させるための電子回路を有する。電子デバイス５０は、１つの集積回路により構成されていてもよく、複数の電子部品により構成されていてもよい。

［水晶片２０の構成］
図２は、水晶片２０の構成を示す図である。図２（ａ）は、水晶片２０の第１面の構成を示しており、図２（ｂ）は、水晶片２０の第２面の構成を示している。水晶片２０の第１面は、水晶片２０における第１電極４１及び第２電極４２の側の面であり、水晶片２０の第２面は、水晶片２０における第１電極４１及び第２電極４２の側と反対側の面である。

水晶片２０の第１面には、第１電極パターン２１と、第２電極パターン２２と、第１配線２３と、第２配線２４と、第１裏面電極２５と、第２裏面電極２６と、が形成されている。第１電極パターン２１は、水晶片２０における第１電極４１と第２電極４２との中央位置に対して第１電極４１の側に設けられた導電性のパターンである。第２電極パターン２２は、中央位置に対して第２電極４２の側に設けられており第１電極パターン２１と分離されている導電性のパターンである。

第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２は、第１電極４１と第２電極４２とを結ぶ水晶片２０の短手方向に直交する長手方向における辺が、水晶片２０の短手方向における辺よりも長い長方形の領域を有する。すなわち、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２の長手方向は、水晶片２０の長手方向と一致している。

第１配線２３は、第１電極パターン２１を第１裏面電極２５に接続するための配線である。第２配線２４は、第２電極パターン２２を第２裏面電極２６に接続するための配線である。

第１裏面電極２５は、導電性接着剤３１を介して第１電極４１に接続される。第２裏面電極２６は、導電性接着剤３２を介して第２電極４２に接続される。第１電極４１及び第２電極４２に電圧が印加されることにより、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２に互いに逆位相の電圧が印加され、第１電極パターン２１と第２電極パターン２２との中央位置を中心にして、水晶片２０が、第１電極パターン２１と第２電極パターン２２とを結ぶ方向に振動する。

図２（ｂ）に示すように、水晶片２０の第１面と反対側の第２面には、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２と電気的に結合する第３電極パターン２７が形成されている。水晶発振器１の高さ方向において、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２の少なくとも一部は、第３電極パターン２７の少なくとも一部と重なっている。図２に示す例においては、第３電極パターン２７が長方形であり、水晶発振器１の高さ方向において、第３電極パターン２７の各辺は、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２の辺の少なくとも一部と重なっている。

第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２の少なくとも一部が第３電極パターン２７と重なっていることで、第１電極パターン２１と第２電極パターン２２とが、第３電極パターン２７を介して電気的に結合した状態になる。第１電極パターン２１と第３電極パターン２７とが電気的に結合して生じる振動モードの位相と、第２電極パターン２２と第３電極パターン２７とが電気的に結合して生じる振動モードの位相とは逆になり、その結果、斜対称振動モードで水晶片２０が振動する。第１電極パターン２１と第２電極パターン２２とが逆位相で振動することで、第１電極パターン２１と第２電極パターン２２とを結ぶ方向（図２における短手方向）に生じる不要な振動モードに起因する振動を打ち消すことができる。

なお、第１電極パターン２１と第２電極パターン２２との距離は、例えば０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。第１電極パターン２１と第２電極パターン２２との距離が十分に小さいことにより、第１電極パターン２１に基づく振動と第２電極パターン２２に基づく振動とが同期するので、斜対称振動モードで水晶片２０が振動する。

図３は、水晶片２０の振動モードについて説明するための図である。図３は、第１裏面電極２５及び第２裏面電極２６の側から水晶片２０を視認した状態を示す模式図であり、破線の曲線は、厚みすべりによる対称振動モードを示しており、実線の曲線は、斜対称振動モードを示しており、水晶片２０は、これらの２つの振動モードが合成された状態で振動する。

第１電極パターン２１と第２電極パターン２２との間の位置においては、斜対称振動モードでの振動が生じず、対称振動モードでの振動の振幅が最大になっている。水晶片２０が斜対称振動モードでも振動することにより、水晶片２０の表面と裏面での電極の位置のずれに起因する不要な振動モード（例えば水晶片２０の短手方向における非対称の振動モード）の発生を防げるので、水晶発振器１の周波数安定度が向上する。

なお、水晶片２０においては、第１裏面電極２５及び第２裏面電極２６が、導電性接着剤３１及び導電性接着剤３２を介して、第１電極４１及び第２電極４２に接続されている。したがって、図２に示す水晶片２０の第２面には、水晶片２０の側面を介して第１裏面電極２５と結合した第１表面電極２８と、水晶片２０の側面を介して第２裏面電極２６と結合した第２表面電極２９とが設けられているが、第１表面電極２８及び第２表面電極２９が設けられていなくてもよい。

また、以上の説明においては、水晶デバイスの一例として水晶発振器１を例示したが、水晶デバイスは水晶振動子であってもよい。

［水晶発振器１による効果］
以上説明したように、水晶発振器１においては、第１面に、水晶片２０における第１電極４１と第２電極４２との中央位置に対して第１電極４１の側に設けられた第１電極パターン２１と、中央位置に対して第２電極４２の側に設けられており第１電極パターン２１と分離されている第２電極パターン２２と、が形成されている。また、第２面に、第１電極パターン２１及び第２電極パターン２２と電気的に結合する第３電極パターン２７が形成されている。

水晶片２０がこのように構成されていることにより、水晶片２０が斜対称振動モードで振動することにより、水晶片２０の表面と裏面での電極の位置のずれに起因する不要な振動モード（例えば水晶片２０の短手方向における非対称の振動モード）の発生を防げるので、水晶発振器１の周波数安定度が向上する。

特に、使用温度範囲の全域（例えば−４０℃から８５℃までの範囲）において、不要な振動モードとの結合を抑制する必要があるＴＣＸＯ（温度補償水晶発振器）で使用される水晶振動子において、本実施形態の水晶片２０の構成は有効である。ＴＣＸＯの周波数安定度は一般的には±０．３ｐｐｍ程度であるが、本実施形態の水晶片２０を用いることで、さらに周波数安定度を向上させることができる。

さらに、従来の水晶片においては、表面の電極と裏面の電極とを接続するために、水晶片の側面に金属を蒸着する必要があったが、蒸着材料の厚みが小さい場合、リフロー時の熱により導通不良が生じる場合があった。本実施形態に係る水晶発振器１の構成によれば、第１面（裏面）に設けられた第１裏面電極２５及び第２裏面電極２６が第１電極４１及び第２電極４２と接続するので、水晶片２０の側面に金属を蒸着することが必須ではない。したがって、水晶発振器１は、熱による導通不良を防ぐという効果も奏する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１ 水晶発振器
１０ 筐体
２０ 水晶片
２１ 第１電極パターン
２２ 第２電極パターン
２３ 第１配線
２４ 第２配線
２５ 第１裏面電極
２６ 第２裏面電極
２７ 第３電極パターン
２８ 第１表面電極
２９ 第２表面電極
３１ 導電性接着剤
３２ 導電性接着剤
４１ 第１電極
４２ 第２電極
５０ 電子デバイス
６０ 外部端子

Claims (5)

1. 第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極及び前記第２電極に接続された水晶片と、
   を有し、
   前記水晶片における前記第１電極及び前記第２電極の側の第１面に、前記水晶片における前記第１電極と前記第２電極との中央位置に対して前記第１電極の側に設けられた第１電極パターンと、前記中央位置に対して前記第２電極の側に設けられており前記第１電極パターンと分離されている第２電極パターンと、が形成されており、
   前記第１面と反対側の第２面に、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンと電気的に結合する第３電極パターンが形成されている、水晶デバイス。
2. 前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンは、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ前記水晶片の短手方向に直交する長手方向における辺が、前記短手方向における辺よりも長い長方形の領域を有する、
   請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記第１電極パターンと前記第２電極パターンとの距離は、０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の水晶デバイス。
4. 前記水晶デバイスの高さ方向において、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンの少なくとも一部は、前記第３電極パターンの少なくとも一部と重なっている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
5. 前記第３電極パターンは長方形であり、
   前記水晶デバイスの高さ方向において、前記第３電極パターンの各辺は、前記第１電極パターン及び前記第２電極パターンの辺の少なくとも一部と重なっている、
   請求項４に記載の水晶デバイス。

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